Читайте данную работу прямо на сайте или скачайте
Синтез лёгких ядер (дефект массы) и Парадокс моделей вселенной
Негосударственное общеобразовательное чреждение
Высшего профессионального образования
Омский Юридический Институт
Е Ф ЕА Т
По предмету: Концепции современного естествознания.
Тема: Синтез лёгких ядер (дефект массы) и Парадокс моделей вселенной.
Выполнил: студент группы
41-у Рековский В.Р.
Проверил: Гайдамакин А.А.
Омск - 2004
Ядерная энергетика синтеза основана на синтезе легких ядер, протекающего при высоких температурах Т ³ 100 * 106 К, когда реагирующая среда является полностью ионизированным газом - плазмой. Изучаются различные схемы держания горючей плазмы.
Первые опытные энергетические ректоры синтеза - термоядерные реакторы, - вероятно, будут построены к концу этого века.
В настоящее мировое производство энергии соответствует сжиганию около 10 млрд. т обычного топлива в год. В следующем веке эта величина, вероятно, возрастет в несколько раз. Ядерная энергетика способна обеспечить длительное развитие человечества без ограничений со стороны топливных ресурсов.
Синтез легких ядер
Если W > 0, то распад ядра энергетически запрещен. Но в обратном процессе - слиянии ядер X1 и X2 - энергия исходной системы должна меньшится на величину W. Продукты синтеза приобретут кинетическую энергию W.
На правой половине Рис. 5 изображена реакция слияния
|
Однако наибольший интерес представляют реакции
|
|
Высвобождающаяся энергия, отнесенная к одному нуклону дейтерия, значительно больше энергетического выхода на один нуклон делящегося изотопа урана-235. Для реализации таких реакций необходимо сблизить ядра на расстояние R ~ 10-14м, затратив энергию k0 e2/R ~ 0,15 ¸0,3 МэВ, поэтому реакции остаются энергетически выгодными. Поскольку тритий очень радиоктивен, то реакция с использованием 3He более безопасна.
Надежды на практическую реализацию правляемого термоядерного синтеза продолжают оставаться "умеренно оптимистическими" на протяжении более 40 лет.
Если бы далось осуществить правляемые термоядерные реакции в промышленных слових, то это дало бы доступ к практически неисчерпаемым источникам энергии и избавило бы человечество от грозы энергетического кризиса. С другой стороны, если взорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены (и продолжают накапливаться многими странами, несмотря на окончание т.н. холодной войны), то человечество и большая часть всего живого на Земле будет ничтожено.
Дефект массы - характеристика атомного ядра, энергия связи.
Задача о нецелочисленности атомного веса изотопов долго волновала чёных, но теория относительности, становив связь между массой и энергией тела (E=mc2), дала ключ к решению этой задачи, протон-нейтронная модель атомного ядра оказалась тем замком, к которому этот ключ подошёл. Для решения данной задачи понадобятся некоторые сведения о массах элементарных частиц и атомных ядер (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Масса и атомный вес некоторых частиц
ЧастицаМасса, кг |
Масса в физической шкале[1] |
||
|
Электрон |
e |
(9,10830,3)´10-31 |
(5,487630,6)´10Ц4 |
|
Протон |
|
(1,672390,4)´10-27 |
1,0075930,3 |
|
Нейтрон |
|
(1,674700,4)´10-27 |
1,0089820,3 |
|
льфа-частица |
|
(6,64330,1)´10-27 |
4,0027800,6 |
(Массы нуклидов и их разности определяют опытным путем с помощью: масс-спектроскопических измерений; измеренний энергий различных ядерных реакций; измерений энергий β- и α-распадов; микроволновых измерений, дающих отношение масс или их разностей.)
Сравним массу a-частицы, т.е. ядра гелия, с массой двух протонов и двух нейтронов, из которых оно состоит. Для этого из суммы двоенной массы протона и двоенной массы нейтрона вычтем массу a-частицы и полученную таким образом величину назовём дефектом массы
Dm=2Mp+2Mn-Ma=0,03037 а.е.м. (1.1)
томная единица массы
mа.е.м.= (1,65970,4)´10-27 кг. (1.2)
Пользуясь формулой связи между массой и энергией, делаемой теорией относительности, можно определить величину энергии, которая соответствует этой массе, и выразить её в джоулях или, что более добно, в мегаэлектронвольтах (1 Мэв=106 эв). 1 Мэв соответствует энергии, приобретаемой электроном, прошедшим разность потенциалов в миллион вольт.
Энергия, соответствующая одной атомной единице массы, равна
E=mа.е.м.× с2=1,6597× 10-27× 8,99 × 1016=1,49 × 10-10 дж=931 Мэв. (1.3)
Наличие у атома гелия дефекта массы (Dm = 0,03037 а.е.м.) означает, что при его образовании была излучена энергия (Е=Dmс2= 0,03037× 931=28 Мэв). Именно эту энергию нужно приложить к ядру атома гелия для того, чтобы разложить его на отдельные частицы. Соответственно на одну частицу приходится энергия, в четыре раза меньшая. Эта энергия характеризует прочность ядра и является важной его характеристикой. Её называют энергией связи, приходящейся на одну частицу или на один нуклон (р). Для ядра атома гелия р=28/4=7 Мэв, для других ядер она имеет иную величину.
Рис.1.1. Кривая энергии связи на одну частицуанализ этой кривой интересен и важен, т.к. по ней, и очень наглядно,
видно, какие ядерные процессы дают большой выход энергии. По существу ядерная энергетика Солнца и звёзд, атомных электростанций и ядерного оружия является реализацией возможностей, заложенных в тех соотношениях, которые показывает эта кривая. Она имеет несколько характерных частков. Для лёгкого водорода Чем больше дефект массы ядра, тем большая энергия излучена при его образовании. Следовательно, ядерное превращение, при котором происходит величение дефекта массы, сопровождается добавочным излучением энергии. Рисунок 1.1 показывает, что имеются две области, в которых эти словия выполняются: переход от самых лёгких изотопов к более тяжёлым, например, от водорода к гелию, и переход от самых тяжёлых, например урана, к ядрам атомов среднего веса. Так же есть часто используемая величина, несущая в себе ту же информацию, что и дефект масс - паковочный коэффициент (или множитель). паковочный коэффициент характеризует стабильность ядра, его график представлен на рисунке 1.2.
Рис. 1.2. Зависимость паковочного коэффициента от массового числа Современные космологические модели Вселенной. Как казывалось в предыдущей главе, в классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти танкой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился. Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты[2]: Х Вселенная - это всесуществующая, лмир в целом. Коснмология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к словиям познания. Х Пространство и время Вселенной абсолютны, они не занвисят от материальных объектов и процессов Х Пространство и время метрически бесконечны. Х Пространство и время однородны и изотропны. Х Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изнменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом. В ньютоновской космологии возникали два парадокса, свянзанные с постулатом бесконечности Вселенной. Первый парадокс получил название гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тягонтения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, не существовать вечно. Второй парадокс называется фотометрическим: если сущестнвует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается. Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная космология, в границах которой было введено представление о расширяющейся и эвонлюционирующей Вселенной. Современные космологические модели Вселенной основынваются на общей теории относительности А. Эйнштейна, сонгласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойнства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного равнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. равнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселеой А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изонтропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется ниверсальнным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно. Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве. Эта модель казалась в то время вполне довлетворительной, поскольку она согласовалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшие исследования, и вскоре подход к проблеме решительно изменился. В том же 1917 году голландский астроном Виллем де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение равнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае пустой Вселенной появились массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космического отталкивание между массами, стремящееся далить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях. В 1992г. русский математик и геофизик А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение равнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с расширяющимся пространством. Решение равнения А.А. Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем. В 1927 г. бельгийский аббат и ченый Ж. Леметр связал расширение пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва. В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик:а все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом .wowanium.narod.ru icq 205968979 [1] В физической шкале атомных весов атомный вес изотопа кислорода апринят равным точно 16,. [2] См.: Мостепаненко А.М. Методологические и философские проблемы совренменной физики. Ч Л.: ЛГУ, 1977. - С. 101. |
аэнергия связи равна нулю, т.к. в его ядре всего одна частица. Для гелия 
аэнергия связи на одну частицу составляет 7 Мэв. Таким образом, переход от водорода к гелию связан с крупным энергетическим скачком. У изотопов среднего атомного веса: железа,
никеля и др. энергия связи частицы в ядре наибольшая (8,6 Мэв) и соответственно ядра этих элементов наиболее прочные. У более тяжёлых элементов энергия связи частицы в ядре меньше и поэтому их ядра относительно менее прочные. К таким ядрам относится и ядро атома рана-235.